变频调速三相异步电动机的交流调速技术应用分析

文|探长

编辑|史家小探长

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电机，

但异步电机的调速性能难以满足生产要求，于是，人们就致力于交流调速技术研究，特别是上世纪70年代以来，随着电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速性能相媲美、相竞争，

目前，交流调速已经逐步取代直流调速。交流调速的广泛应用使得变频调速三相异步电机的市场需求量日趋加大，各电机制造厂家把目光投向变频调速电机的设计研发。

近年来，兰州电机相继开发出了YPTZYPTO系列三相交流调速异步电动机，基本系列有低压380V、400V、660V、690V、850V以及中高压3KV416KV、6KV、10KV等不同的电压等级。

交流调速的方法是根据三相异步电动机转速公式，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，可归纳为改变同步转速和不改变同步转速两种，

在实际应用中改变转差率方法有绕线型电动机的转子串电阻调速、双馈调速、串级调速等，属于不改变同步转速调速。改变定子极对数的变极电动机，改变定子电压、频率的变频调速无换向电动机等属于改变同步转速调速。

变频调速三相异步电动机，是利用改变电源频率f时，同步转速n随之变化，从而使电动机的转速在一定范围可调来实现的。变频调速范围广、平滑性好、效率高、具有优良的静态及动态特性，是应用最广泛的一种高性能交流调速。

在基频以上调速时，电动机绝缘是按额定电压等级设计的，此时若仍采用恒磁通调速，受电机绝缘强度及绕组匝间电压限制，电压太高会造成电机绝缘破坏，因此定子电压不可能与频率成正比地升高，只能保持在额定电压U。

此时气隙磁通φ。将随着频率f的升高而反面下降，类似于直流电动机的弱磁升速。对于变频调速三相异步电机设计制造遵循这一基本原理，使电机的材料得到充分利用，以达到节材高效率的目的。同时，在满足用户使用要求前提下，各项性能指标必须符合国家标准要求。

在电磁方案设计上，根据用户提供的技术要求，并考虑恒转矩运行与恒功率运行的转折点以及负载的机械特性进行优化设计，使电机的磁路得到充分利用，确定电机的额定频率。这类电机基频频率往往都是非工频的。

按照GB755-2008《旋转电机定额和性能》及GB1032-2005《三相异步电动机试验方法》要求，电机必须做如下项目测试:

1.绝缘电阻的测定，2.绕组冷态下直流电阻的测定，3.空载试验，4.堵转试验，5.温升试验，6.效率、功率因数及转差率的测定，7.最大转矩的测定，8.最小转矩的测定，9.超速试验，10.噪音的测定，11.振动的测定，12.短时升高电压试验，13.耐压试验。

对于异步电动机来说，铁耗和定、转子铜耗是决定电机发热的主要因素。一旦电机电磁方案及结构设计完成后，电机的电气性能参数就已经确定。

定、转子铜耗大小取决于负载电流大小，而电机负载及温升试验时必须在额定电流下测定，所以铜耗基本维持不变，铜耗发热也就保持不变。但电机的铁耗就不同了，它与电源的电压和频率有关，根据电机学电磁理论的如下公式:

根据以上公式可以分两种情况来定性地说明，一种是变频调速电机额定频率大于50Hz的情况:当试验电源频率等于50Hz，电压保持额定时，由式(4)可以看出实际的每极基波磁通量φ增大了:由式(5)、(6)、(7)得出各段磁路的磁密也成正地增大;

由式(8)可知，电机的基本铁耗P却是按磁密的平方增加。虽然说实际频率比额定频率降低了，但铁耗只与频率的13次方成正比，总体上铁耗还是增大了。电机的铁耗增大意味着发热严重，温升势必高于电机的实际温升。

另外，为了充分利用铁磁材料，电机设计时额定磁密点一般在磁化曲线的的膝点附近，电机磁密增大引起磁路非常饱和，激磁电流非线性的增大，远大于额定激磁电流。这样，引起功率因数降低，功率也小于额定值。

另一种是变频调速电动机额定频率小于50Hz的情况:当试验电源频率等于50Hz、电压为额定时，此时相反地，磁通量φ减小、磁密减小、铁耗减小、温升降低。相应地，激磁电流减小、功率因数变高、功率却大于额定值。

在这两种情况下，通过直接负载法分析电机的效率、功率因数及转差率时，由于负载特性曲线不能真实地反映电机本来的特性曲线。

其结果是用此曲线对应于额定功率点，所求电机的定子电流值、功率因数、转差率以及效率的额定值存在偏差，并且偏差随电机额定频率与试验电源频率(50Hz)之比值大小而变化。

对第一种情况求取的额定电流值偏大;功率因数、效率值偏小，频率比值越大的其值偏差越大。第二种情况求取的额定电流值偏小;功率因数、效率值偏大，频率比值越大的其值同样也偏差越大。

由于这种原因，目前只能采取对电气数据做以修正，试验时按修正数据做近似等效温升，然而，负载特性曲线就很难准确求取了。其原则是当电机频率等于50Hz时，根据式(4)让磁通恒等于Φ_，

按恒转矩(近似恒磁通)折算出对应磁密相等的等效定子电压。温升试验按折算电压，电流保持额定值，使电机的铁耗发热和铜耗发热与频率额定时的发热量基本相等，测得的温升就是电机的实际温升。

实际上，这种恒转矩并不是真正意义上的等铁耗折算。前面说过，铁耗不仅与磁密有关，同时还与频率的13次方成正比。当然恒转矩折算出的铁耗并不相等，所做的温升也就和实际温升有差异了。

目前，普遍采用铁耗等效法折算电压。但无论怎样折算都存在如下问题:

第一，等效折算法无法测定电机的负责特性曲线、效率、功率因数、额定电流及转差率。对于这些参数只有通过圆图法计算。

第二，折算后转速不能达到额定转速，无法补偿通风条件改变引起的冷却效果变化对温升的影响。

综上所述，为了能使变频调速电动机试验与实际运行时额定工况一致，最好的办法就是在变频调速电动机额定频率(基频)下进行试验。

按兰州电机大中型电机试验站试验系统，对于电动机的温升和负载试验，一般采用能量回馈法，回馈法原理如图所示:从图可以看出由于三联机组中同步电动机必须并入电网，提供回馈系统的总损耗功率。

当同步电动机并入电网后，由同步发电机提供给被试变频调速电机的电源必然是50Hz工频电源，造成电源频率无法调节，使被试电机不能在额定频率工况下运行。

为了能够准确地对变频调速电机所有性能参数进行测定，我们利用大型电机试验站现有设备。针对变频调速电机试验的特殊性进行改进。改进方案见如下原理图:

取消原试验方案同步电动机并网，改用12脉冲直流传动装置同时拖动两台直流机。

一方面为系统提供所需损耗;另一方面，由于12脉冲直流传动装置是双闭环四像限调速工况，两套机组转速可以实现0~900r/min范围内无级调速，相应地，同步发电机输出频率范围0~60Hz可调。

同时，直流机励磁为独立励磁，通过调节励磁改变转速用于控制负载大小。对于不同电压等级的变频调速电动机，可用试验变压器使其与6000kVA同步发电机的电压相匹配。改进后试验系统原理及能力范围

通过改进使两个机组试验电源频率在很大范围都可以调节，能准确有效地测定变频调速电机的温升、负载特性、效率、功率因数以及转差率性能参数，从而避免折算带来麻烦以及试验误差。

由于现有试验机组本身是工频机组，为了不让同步发电机磁路过于饱和，所能提供电源频率并不是无限制的，现对其试验能力做以分析。当频率范围25Hz~60Hz、

定子接法Y时，对应输出电压5KV~10KV、功率1000KW~2000KW;定子接法时，对应输出电压3KV~6KV功率1000KW~2000KW。

定子接法2△时，对应输出电压1.5KV~3KV、功率1000KW~200KW。低压电机通过变压器降压后，当频率范围25Hz~60Hz时，对应输出电压330V~690V、功率640KW~1280KW。

对变频调速三相异步电动机试验系统的改进，是在不增添设备的基础上进行的，不需要投入技术改造资金，不改变原系统的方案而达到预期目的。

使变频调速电机的试验更加便利，能够准确地完成变频调速电机各项性能指标的测定，方案切实可行，可靠性高。与交流变频器相比电源波形畸变率小，谐波因数低，符合国家标准对试验电源谐波因数的要求。